木材纖維原料的生物結(jié)構(gòu)及細胞形態(tài)

第三節(jié)木材纖維原料的生物結(jié)構(gòu)及細胞形態(tài)一、樹木的粗視結(jié)構(gòu)〔Themacroscopicstructureofwood〕

一、木材解剖用術(shù)語樹心形成層木質(zhì)部樹皮橫、徑、弦切面1．木材解剖的三個切面A橫切面：與樹干的軸垂直的切面；B徑切面：通過樹干髓心與橫切面垂直的切面，又稱輻射切面;C弦切面：垂直橫切面與年輪相切的切面，又稱切線切面。橫切面：纖維細胞、導(dǎo)管細胞、縱向樹脂道等的橫切面，木射線的縱切面。徑切面：纖維、導(dǎo)管、樹脂道的徑向切面、木射線、紋孔。弦切面：纖維、導(dǎo)管的縱切面；橫向樹脂道、大量木射線橫向切面。針葉木三個切面Figure3.Differentplanesofacuttreestemrevealingtransverse(cross-sectional),radial,andtangentialfacesMainstructureofthewoodystemoftrees外皮形成層韌皮部〔內(nèi)皮〕2．樹心樹心，也稱髓心〔pith〕，一般位于樹干中心，也有偏離中心的，稱為偏心材。髓心由薄壁細胞組成，所占容積一般較小，對制漿沒有什么意義。Figure4.Cross-sectionofan85yearoldLarixsibiricastem〔西伯利亞落葉松〕Figure20.Severecompressionwoodonacross-sectionsurfaceofaleaningsoftwoodsteminPinussylvestris(PhotobyHannuKalaja)〔長柏松〕樹皮是樹干的最外層，是樹干的保護層，尤其是保護樹木的形成層。樹皮分外皮〔OutBark〕和內(nèi)皮〔InnerBark〕。3．樹皮〔Bark〕外皮:是由已死亡的木栓細胞〔含有木栓質(zhì)的細胞〕組成。其作用是對木材組織起著抵抗外來機械傷害以及防止外界溫度和濕度變化的作用。內(nèi)皮:是由有生命的活細胞組成，又稱韌皮部〔Phloem〕，其作用負擔(dān)著把樹葉光合作用產(chǎn)生的養(yǎng)分向下輸送。4．形成層〔Cambium〕形成層位于韌皮部與木質(zhì)部之間，它是由具有分裂機能的分生細胞組成的一個薄層。這一薄層是由6~8層細胞組成。位于韌皮部和木質(zhì)部之間的細胞紡錘狀原始細胞：產(chǎn)生管胞、導(dǎo)管、篩管等作用：使次生木質(zhì)部不斷增生加粗長高；射線原始細胞：產(chǎn)生維管射線；木射線〔woodray〕；韌皮射線；作用：樹木的橫向運輸與儲藏組織。樹皮外形成層內(nèi)木質(zhì)部5．木質(zhì)部〔Xylem〕木質(zhì)部是樹干的主要局部，位于形成層與髓心之間，是造紙原料的最主要局部。木質(zhì)部是植物主要的輸導(dǎo)組織和機械支持組織。6．年輪、早材和晚材在樹木莖的橫切面上，木質(zhì)部上具有許多同心圓環(huán)，即為生長輪。生長輪是由于形成層在一個生長周期中的周期性活動形成的。一年中只長出一個生長輪，故稱年輪。每個年輪一般由兩層構(gòu)成，內(nèi)層是在每年的春季與夏季之間形成的，稱之為早材〔或春材〕；外層是夏末及秋天形成的，稱為晚材〔秋材或夏材〕。早材〔春材〕、晚材〔夏材、秋材〕〔springorearly-wood、autumnorlate-wood〕早材：春、夏季，細胞分裂快，生長迅速，形成的細胞壁薄，腔大，色淺，木質(zhì)疏松。晚材：秋季，細胞分裂慢，生長慢，所形成的細胞較細長，壁厚，腔小，色深，木質(zhì)緊密。Figure4.Cross-sectionofaspruce(PiceaAbies)sampleshowinganannualgrowthringboundary.紅豆杉橫切面.落葉松橫切面.落葉松橫切面.春材和秋材的特點比較纖維腔壁長度樹脂含量顏色材質(zhì)強度纖維硬度春材早材腔大壁薄較短較低色淺疏松較差柔軟秋材晚材腔小壁厚較長較高色深緊密較高挺硬晚材率

年輪中晚材寬度

晚材率

=----------------------×100%

年輪總寬度對制漿造紙的影響：晚材率低：易打漿，抗張、耐破強度高，紙質(zhì)勻細，因早材壁薄、彈性好、柔軟，故纖維結(jié)合力高。晚材率高：除撕裂度高外，透氣度大，其它物理強度指標(biāo)均不及早材。紙質(zhì)挺硬，結(jié)合強度差。

早晚材的比例是造紙用材著重考慮的重要指標(biāo)之一，特別是針葉木，常見的幾個樹種的晚材率約為：紅松：20％魚鱗云杉：20％落葉松：25～40％馬尾松：25～30％云南松：20～40％7．邊材與心材顏色深的局部〔木材的中心〕稱為心材〔heartwoodorInnerwood〕，顏色淺的靠近樹皮的局部稱為邊材〔OuterwoodorSapwood〕。心材心材(heartwood)：木質(zhì)部中靠樹心局部，被樹脂、單寧等物質(zhì)填充而失去生理活性，變成死細胞。作用：支撐作用特點：顏色深、樹脂含量高，抗腐能力強、耐久性好、浸透性差，適用于制家具及建筑裝修等行業(yè)。對制漿造紙的影響：制漿時，藥液浸透較困難，將會影響蒸煮的均勻性，降低漿的質(zhì)量；酸法制漿時極易產(chǎn)生樹脂障礙及由于浸透不均勻而產(chǎn)生“黑片〞等問題。邊材(sapwood)：木質(zhì)部中靠邊緣的，顏色較淺的局部。材質(zhì)較軟，孔道通暢，抗腐蝕性能較差，用于制漿時易于浸透、易成漿，泡沫也較少；纖維長度較大，是制漿造紙的好原料。邊材是由活細胞組成的，細胞中貯存的營養(yǎng)分較多，故易被細菌、害蟲所侵害。環(huán)孔材、散孔材絕大多數(shù)闊葉材都具有導(dǎo)管，稱為有孔材〔而針葉木一般不具導(dǎo)管，無孔材〕。闊葉材可分為環(huán)孔材、半孔材和散孔材三大類型。環(huán)孔材指木材中的早材導(dǎo)管比晚材導(dǎo)管大，而且形成一環(huán)明顯的帶或輪。散孔材指在木材的整個年輪中內(nèi)，導(dǎo)管的大小和分布比較均勻或逐漸變化的。半孔材年輪中導(dǎo)管的分布介于環(huán)孔材和散孔材之間。1.環(huán)孔材2.半孔材3.散孔材8．木射線〔WoodRays〕木射線是由木射線薄壁細胞組成，它貯藏營養(yǎng)物質(zhì)，還有橫向運輸?shù)墓δ?，木質(zhì)部的營養(yǎng)物質(zhì)就是經(jīng)木射線從韌皮部輸送來的。二．植物纖維與細胞壁的構(gòu)造

1．植物細胞的形成過程細胞借分裂而繁殖,細胞分裂的方式可分為:有絲分裂、減數(shù)分裂和無絲分裂三種。有絲分裂是一種最普遍的分裂方式。一個細胞分裂產(chǎn)生兩個新的子細胞〔右圖〕。分裂產(chǎn)生的子細胞既可以是仍保持具有分生能力的分生細胞;也可以是不再具有分生能力的細胞，這種細胞發(fā)育成長過程中分化為執(zhí)行不同生理機能的各種永久細胞,其中很大一局部細胞分化為構(gòu)成植物體基干起機械作用和輸導(dǎo)作用的永久細胞。永久細胞的細胞壁隨著細胞的發(fā)育而迅速增厚，并在長度方向延伸。在細胞停止生長以后,細胞壁仍然繼續(xù)增厚,細胞內(nèi)物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為細胞壁物質(zhì),其主要化學(xué)成分是碳水化合物和木素。植物纖維的概念這種失去生命機能的細長銳端永久細胞稱為植物纖維。2．植物纖維細胞壁的構(gòu)造胞間層〔Middlelamella〕初生壁(PrimaryWall)次生壁(SecondaryWall)次生壁分外〔S1〕、中〔S2〕、內(nèi)〔S3〕三層Figure12.CellwalllayersandorganizationofmicrofibrilsinasoftwoodtracheidFigure2.CrosssectionofaPine(Pinuspalustris)latewoodtracheid:MisthemiddlelamellaPistheprimarywall,S1,S2,andS3aretheouter,middleandinnerlayersofthesecondarywall.3．細胞壁上的紋孔細胞在次生壁增厚時，并非全面均勻的增厚，其中常留有不增厚的局部。這種不增厚的局部，因為細胞壁比較薄，在顯微鏡下觀察象一些圓形小孔，實際上并不是真正的孔，而是一些薄壁區(qū)域。這些薄壁區(qū)域叫做紋孔〔Pit〕。紋孔的構(gòu)造:具緣紋孔(Borderedpit)單紋孔〔SimplePit)半具緣紋孔(HalfBorderedPit〕紋孔的類型根據(jù)增厚情況，紋孔分為：單紋孔：一般在薄壁細胞上具緣紋孔：次生壁強烈增厚的細胞壁上相鄰細胞組成的紋孔對的類型：具緣紋孔對：兩相鄰厚壁細胞上半具緣紋孔對：相鄰薄壁細胞與厚壁細胞單紋孔對：兩相鄰薄壁細胞Figure8.Cross-sectionofonetracheidshowingborderedpits.具緣紋孔AtomicForceMicroscopeImageofBorderedPit(BlackSprucewood)Hereisanotherstructuralviewofasoftwoodborderedpitpair.Twotracheidsareconnectedbythepitpair.Theover-archingpitbordersareseparatedbyacentral"pitmembrane"whichbisectsthepitchamber.具緣紋孔紋孔的構(gòu)造緣〔具緣紋孔腔上懸掛的局部次生壁〕、口、腔、膜、托〔具緣紋孔膜的中央特別加厚的局部〕Figure13.Profilesofpitpairs(redrawnfromHaygreenandBowyer)

紋孔室紋孔緣紋孔口紋孔膜紋孔托

紋孔的作用1、對植物的作用植物生長過程中，營養(yǎng)、水分、光合作用產(chǎn)物通過紋孔來流通。2、對蒸煮的作用蒸煮液通過紋孔滲透到細胞內(nèi)部使其可與木素進行反響，小放氣可以震破孔膜，利于藥液滲透，使原料得到均勻蒸煮。針葉木具緣紋孔中，紋孔塞的形成對針葉木的生長及木片在蒸煮時藥液的浸透有不良的影響。單紋孔構(gòu)造簡單，制漿過程中藥液的浸透較容易。4．樹木的細胞類型

〔CellTypesofWood〕形態(tài)〔Shape〕：銳端細胞和薄壁細胞；功能〔Function〕：輸導(dǎo)細胞、支撐細胞和貯藏細胞。

輸導(dǎo)細胞支撐細胞貯藏細胞闊葉材：導(dǎo)管木纖維薄壁細胞針葉材：管胞薄壁細胞三．針葉材的生物結(jié)構(gòu)、細胞類型、含量及形態(tài)〔一〕針葉材的生物結(jié)構(gòu)1、橫切面；2、弦切面；3、徑切面?！捕臣毎愋?、含量及形態(tài)1.管胞占木質(zhì)部細胞容積的90~95%，呈紡錘狀，兩邊呈鈍圓或鈍尖形，縱向生長，與木射線垂直。管胞平均長度一般為3~5mm，寬為0.03~0.05mm。管胞壁上的紋孔大多為具緣紋孔管胞是針葉木的輸導(dǎo)水分的組織和唯一的支持組織。針葉木中的細胞最主要是管胞，有少量的木射線，一般不含導(dǎo)管。Cellsfromasoftwood.MagnificationX50早材管胞：壁薄，腔大，兩端鈍圓紋孔大而多易變形，蒸煮后呈扁平帶狀。

晚材管胞：壁厚，腔小，兩端尖削紋孔小而少蒸煮后大多保持柱狀。

Detailofannualring.Earlywoodandlatewoodfibres.2.木薄壁組織木射線管胞和木射線薄壁細胞木射線細胞占木材體積的5~10%。Norway云杉和Scots松木射線薄壁細胞的長為：0.01~0.16mm，寬為：2~5μm?！簿植寇浤居小衬旧渚€管胞：不含樹脂。木射線薄壁細胞：內(nèi)含樹脂針葉材的射線細胞壁薄而腔大，長度小，呈長方形，沿徑向排列，在木質(zhì)部稱為木射線，在韌皮部稱為韌皮射線；木射線管胞木射線薄壁細胞樹木生長過程中，射線細胞通過紋孔與其它細胞相通，起著橫向流通及儲存營養(yǎng)的作用；在蒸煮中，木射線有利于藥液的擴散。針葉木的射線細胞體積甚小、長度極短，無制漿造紙價值〔洗滌時流失〕，量少，不會對紙漿的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。木薄壁組織的作用及與制漿造紙的關(guān)系3.樹脂道

樹脂道是由假設(shè)干分泌細胞所圍繞成形的一種胞間道。它不是一個細胞，也不是一個組織，而是細胞間隙，中間充滿樹脂。樹脂道是局部針葉木材獨有的特征，分為軸向〔縱向樹脂道〕和徑向〔橫向樹脂道〕。徑向樹脂道分布在一些木射線內(nèi),形狀較小。松木樹脂道結(jié)構(gòu)圖樹脂道落葉松橫切面.具有正常樹脂道的針葉材有松屬、落葉松屬、云杉屬、油杉屬和銀杉屬等；杉木、冷杉、柏木等那么沒有樹脂道。有脂材:有樹脂道無脂材：沒有樹脂道樹脂道與制漿造紙的關(guān)系由于樹脂道內(nèi)含樹脂，所以制漿中會消耗化學(xué)藥品，還會引起樹脂障礙。四．闊葉材的生物結(jié)構(gòu)、細胞類型、含量及形態(tài)〔一〕闊葉材的生物結(jié)構(gòu)闊葉材中細胞的種類較多，包括木纖維、管胞、導(dǎo)管、木射線和薄壁細胞。橫切面：1、導(dǎo)管2、木纖維〔成四邊形或多邊形〕3、木射線薄壁細胞4、木薄壁細胞徑切面：1、木纖維側(cè)壁及其上單紋孔。2、導(dǎo)管及其上的具緣紋孔。3、寬帶狀的木射線。弦切面：1、木纖維及導(dǎo)管的側(cè)壁。2、紡錘狀的木射線細胞?！捕臣毎愋?、含量及形態(tài)1.木纖維2.管胞3.導(dǎo)管4.薄壁細胞及木射線薄壁細胞1．木纖維即纖維細胞，是闊葉材的最主要細胞和支持組織。木纖維細胞壁上多是具緣紋孔，但由于細胞壁增厚，使紋孔腔消失而成為單紋孔，胞壁上有節(jié)狀增厚。木纖維長：1mm左右;寬：20μm。由于其長度短，直徑小，因此闊葉木漿不適于單獨抄造高強度紙張。闊葉材中的纖維細胞含量低：60％－80％。因此其制漿造紙價值不如針葉材。

2．管胞闊葉材中的管胞數(shù)量很少，但形態(tài)與針葉材的管胞相似，其細胞壁上的紋孔具緣紋孔，紋孔緣明顯。管胞紋孔直徑≥導(dǎo)管細胞的紋孔直徑。3．導(dǎo)管導(dǎo)管是闊葉材中的水分輸導(dǎo)組織，它由一系列的導(dǎo)管細胞首尾相連而成；依導(dǎo)管細胞壁的增厚情況不同，導(dǎo)管細胞可分為五種類型，其形態(tài)大小等均隨木材品種而異。EucalyptusVessel毛白楊橫切面.楊木導(dǎo)管.尾葉桉導(dǎo)管.Figure15.Fibersandavesselsegmentofadiffuse-poroushardwoodforPopulustremulaFigure16.Fibersand